天文望遠(yuǎn)鏡光學(xué)原理

天文望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理天文望遠(yuǎn)鏡由物鏡和目鏡組成，接近景物的凸形透鏡或凹形反射鏡叫做物鏡，靠近眼睛那塊叫做目鏡。遠(yuǎn)景物的光源視作平行光，按照光學(xué)原理，平行光通過(guò)透鏡或球面凹形反射鏡便集聚焦在一點(diǎn)上，這就是核心。核心與物鏡距離就是焦距。再利用一塊比物鏡焦距短的凸面鏡或目鏡就可以夠把成像放大，這時(shí)觀察者感覺(jué)遠(yuǎn)處景物被拉近，看得特別清楚。0二物鏡E=目鏡f=核心fo=物鏡焦距fe=目鏡焦距。=物鏡口徑d二斜鏡折射鏡是由一組透鏡組成，反射式則包括一塊鍍了反光金屬面的凹形球面鏡和把光源作90度反射的平面鏡。二者的吸光率大致相同。折射和反射鏡各有長(zhǎng)處，現(xiàn)分別討論：折射望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)處影像穩(wěn)固折射式望遠(yuǎn)鏡鏡筒密封，避免了空氣對(duì)流現(xiàn)象。彗像差矯正利用不同的透鏡組合來(lái)矯正彗像差(Coma)。保養(yǎng)主鏡密封，不會(huì)被污垢空氣侵蝕，基本上不用保養(yǎng)。

折射望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)1.色差不同波長(zhǎng)光波成像在核心周圍，所以望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)彩色光環(huán)圍繞成像。矯正色差時(shí)要增加一塊不同折射率的透鏡，但矯正大口徑鏡就不容易了。白白光消色差色差白白光消色差色差2.鏡筒長(zhǎng)。為了消除色差，設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)就要把焦距盡可能增加，約主鏡口徑的十五倍，以六吋口徑計(jì)算，即是七呎半長(zhǎng)，而且用起來(lái)又不方便，業(yè)余制鏡者要造一座如此長(zhǎng)而穩(wěn)固度高的腳架很是困難的一回事。3.價(jià)錢貴光線要穿過(guò)透鏡關(guān)系，所以要采用清楚度高，質(zhì)地優(yōu)良的玻璃，如此價(jià)錢就貴許多。全數(shù)完成后的價(jià)錢也比同一口徑的反射鏡貴數(shù)倍至十?dāng)?shù)倍！反射望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)處消色差。任何可見(jiàn)光均聚焦于一點(diǎn)。鏡筒短通常鏡筒長(zhǎng)度只有主鏡直徑八倍，所以比折射鏡筒約短兩倍。短的鏡筒操作力便，又容易制造穩(wěn)固性高的腳架。價(jià)錢便宜光線只在主鏡表面反射，制鏡者可以購(gòu)買較經(jīng)濟(jì)的普通玻璃去制造反射鏡的主要部份。反射望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)遮光。對(duì)角鏡放置在主鏡前，把部份入射光線遮掉，而對(duì)角鏡支架又產(chǎn)生繞射，三支架或四支架的便形成六條或四條由光星發(fā)射出來(lái)的光線。能夠利用焦比八至十的設(shè)計(jì)減低遮光率。影像不穩(wěn)固開(kāi)放式的鏡筒往往產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象，很難完滿地解決問(wèn)題。所以在高倍看行星表面精細(xì)部份時(shí)便不容易了。主鏡便形溫度轉(zhuǎn)變和機(jī)械因素，使主鏡變形，核心也隨著改變，形成球面差，球面差就是主鏡隔壁線和近光軸的平行光線聚焦于不同地方，但小口徑鏡不成問(wèn)題。保養(yǎng)鍍上主鏡表面的驢或銀，受空氣污染影響，要半年再鍍一次。不過(guò)一塊良好的真空電鍍鏡面可維持?jǐn)?shù)年之久。折射望遠(yuǎn)鏡由二塊透鏡組成，總共要磨四邊光學(xué)面，反射望遠(yuǎn)鏡只需要磨一邊光學(xué)面，所以制造反射式望遠(yuǎn)鏡花費(fèi)較少時(shí)刻。技術(shù)精巧的話，一副自制的六吋口徑反射望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量隨時(shí)超過(guò)市面出售的三吋折射望遠(yuǎn)鏡。至于選擇何種類型的望遠(yuǎn)鏡則是按照天文愛(ài)好者的需要和喜愛(ài)而定。通常一枝四吋以下的折射望遠(yuǎn)鏡已足夠作普通觀測(cè)研究的用途。若是興趣是觀察行星或雙星，便應(yīng)該設(shè)計(jì)八吋口徑而放大倍數(shù)高的反射望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)槿绱舜罂趶降恼凵溏R十分難制造，價(jià)錢超級(jí)昂貴，而且又超級(jí)笨重。從經(jīng)濟(jì)和難度考慮，初學(xué)者最適宜自制反射式望遠(yuǎn)鏡。反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)反射望遠(yuǎn)鏡有數(shù)種設(shè)計(jì)，此刻只談?wù)劷Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的牛頓式。牛頓式望遠(yuǎn)鏡最主要的結(jié)構(gòu)是一塊鍍上反射物質(zhì)的球面或拋物面玻璃。球面鏡作用是把星星來(lái)的平行光反射聚焦一點(diǎn)，然后靠一塊細(xì)小光學(xué)平面鏡放置于核心前，把光作90度角的反射至望遠(yuǎn)鏡筒的邊緣，再由一塊凸面鏡將形像放大，便取得普通望遠(yuǎn)鏡應(yīng)有的效果。不過(guò)球面鏡中心和隔壁的反射角不同，故此成像并非完全聚焦于同一點(diǎn)上，而形成球面差；但拋物面卻可矯正這缺點(diǎn)，使離開(kāi)光軸較遠(yuǎn)的光線也能夠同時(shí)聚于核心上，因此實(shí)際上牛頓式望遠(yuǎn)鏡主鏡乃拋物線面。球面鏡成像拋物面成像設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)要考慮到它的實(shí)際用途，咱們是用來(lái)觀察或是攝影的，咱們要求的放大倍數(shù)等等，這便要介紹一下影響望遠(yuǎn)鏡用途的各類因素。放大倍數(shù)1吋=25.4毫米（mm）直徑（吋）直徑（mm）最低有效倍數(shù)最高有效倍數(shù)1255025171006391253761015041001420061502130082002840010250355001230042600望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)是物鏡和目鏡焦距之比。即物鏡焦距越長(zhǎng)，放大倍率越高；目鏡焦距越短，放大倍率越高。放大率亦能夠量度入射瞳孔和出射瞳孔的直徑求得，入射瞳孔通常即望遠(yuǎn)鏡物鏡直徑。放大倍數(shù)越低，影像越清楚，最宜觀測(cè)暗星云。放大率高則可用來(lái)看行星表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，但光度很弱。每枝望遠(yuǎn)鏡的最高有效放大倍數(shù)是物鏡直徑的50倍。例如六吋口徑望遠(yuǎn)鏡即可放大到300倍。雖然天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡焦距是不能改變的，但望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)則不是固定的，它能夠通過(guò)變換目鏡焦距的方式而取得不同的倍率。但目鏡制造困難，多數(shù)購(gòu)自光學(xué)商店，業(yè)余制鏡者只自制主鏡部份。即：放大倍數(shù)=物鏡焦距/目鏡口徑=入射瞳孔直徑/出射瞳孔直徑焦比（FocalRatio）望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)不能無(wú)窮制的增加，即目鏡不能太短；最短約四毫米，主鏡焦距亦不能太長(zhǎng)，究竟焦距長(zhǎng)度如何決定呢？通常焦距和物鏡直徑的比例不能超過(guò)一個(gè)數(shù)值，它們的比值稱為焦比，焦比是用來(lái)表示望遠(yuǎn)鏡的特性的指標(biāo)，焦比即照相機(jī)上的光圈，焦比值多數(shù)定于和11之間。例如六吋望遠(yuǎn)鏡焦距最長(zhǎng)可達(dá)66吋，最短是15吋。焦比的限制是和望遠(yuǎn)鏡的曲率有關(guān)，焦比大，球面和拋物面值相差不遠(yuǎn)，主鏡磨成球面便行。但焦比太大，鏡筒便會(huì)很長(zhǎng)，搬運(yùn)不方便，腳架制作也不容易。焦比短，球面主鏡便不能把平行光聚于一點(diǎn)，形成球面差，那時(shí)要將球面修改成拋物面就頗費(fèi)功夫。另一方面，照相曝光時(shí)刻和焦比的平方成正比，所以焦比值越小曝光時(shí)刻越短，拍照暗星體時(shí)便很有效，故多用作觀測(cè)或拍照星云、星團(tuán)。焦比大，焦距長(zhǎng)度增加，放大倍率高，故此多用作觀測(cè)行星。即：焦比=焦距/物鏡直徑（通常會(huì)寫(xiě)成F/或F值）集光本領(lǐng)(LightGatheringPower)直徑直徑集光本領(lǐng)極限星等吋毫米倍星等6381376118410020461504598200820102501300123001800143502500164003300184504100205005100望遠(yuǎn)鏡口徑越大，集光力愈強(qiáng)，能夠看見(jiàn)星星的數(shù)量亦增加，集光力是收音機(jī)搜集光線比眼睛強(qiáng)多少倍的意思。集光本領(lǐng)乃望遠(yuǎn)鏡物鏡直徑平方和瞳孔直徑平方之比。人的瞳孔，日間受光影響，故收縮，晚上則盡可能擴(kuò)大，直徑伸縮由四毫米至八毫米，平均值是七毫米。望遠(yuǎn)鏡比肉眼大上許多倍，以一枝150毫米即六吋口徑反射鏡來(lái)記算，就比肉眼看東西敞亮495倍。固然望遠(yuǎn)鏡口徑大還能夠觀察到加倍暗的星星，口徑和星等的關(guān)系如右。人的瞳孔是固定的，所以要增加集光本領(lǐng)就唯有向物鏡直徑打主意，造一枝大口徑望遠(yuǎn)鏡。但大口徑鏡的球面和拋物面值相差頗大，必然要磨成拋物面，初學(xué)者未掌握好磨鏡技術(shù)的話，因該以小口徑開(kāi)始。另外大口徑望遠(yuǎn)鏡又必需做一座重型精密、穩(wěn)固性高的腳架，不然在調(diào)校光軸，對(duì)準(zhǔn)星體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)困難。而機(jī)械制作所花的時(shí)刻可能還比磨鏡還多，如何可令至初學(xué)者興趣慢慢減低。而搬運(yùn)如此重的裝備往郊外觀測(cè)也很成問(wèn)題。經(jīng)歷數(shù)次辛勞后，望遠(yuǎn)鏡可能被放置在屋角去渡其晚年。即：集光本領(lǐng)二物鏡直徑(mm)平方/49極限星等=+5xlog物鏡直徑(mm)=+5xlog物鏡直徑(吋)分辨本領(lǐng)(ResolvingPower)直徑直徑分辨本領(lǐng)吋毫米弧秒63376410061508200102501230014350164001845020500集光本領(lǐng)，放大倍數(shù)并非能表達(dá)望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量，望遠(yuǎn)鏡質(zhì)地取決于它的分辨本領(lǐng)，它就是分開(kāi)兩顆很相近的雙星的最高能力。分辨力高，星像清楚的六吋鏡會(huì)遠(yuǎn)比只得集光力強(qiáng)的大口徑十吋鏡實(shí)用得多。天文觀察要求光學(xué)質(zhì)量最高，若大口徑鏡只看見(jiàn)模糊的星像，用途就不大，只可用來(lái)看看風(fēng)光吧！英國(guó)業(yè)余天文學(xué)家杜氏（Dawes）按照觀測(cè)雙星的經(jīng)驗(yàn)，記算出望遠(yuǎn)鏡口徑的最高分辨能力，這就是著名的杜氏極限（Dawes、’Limit）。六吋口徑望遠(yuǎn)鏡，分辨本領(lǐng)最高是弧秒，雖然因星空觀察受大氣流動(dòng)影響，而會(huì)使分辨本領(lǐng)降至一弧秒，但已經(jīng)比肉眼只可分辨兩顆距離